混凝土结构与砌体结构-模块8：预应力混凝土构件

模块8混凝土结构与砌体结构模块8

预应力混凝土构件模块8混凝土结构与砌体结构本章重点预应力混凝土的概念及其优点；

预应力混凝土构件的截面设计。预应力损失的原因及其计算和组合；

预应力混凝土构件的受力性能分析；

施加预应力的方法及预应力混凝土材料的要求；模块8混凝土结构与砌体结构§8.1预应力混凝土的基本知识8.1.1概述普通混凝土的缺点：在使用荷载下带裂缝工作，影响使用功能、耐久、刚度和抗疲劳性。难以利用高强度钢筋。模块8混凝土结构与砌体结构8.1.2预应力混凝土的基本原理：预应力：在混凝土结构承受使用荷载之前的制作阶段预先对混凝土施加应力。epNpspcsc

全预应力混凝土部分预应力混凝土有限预应力混凝土模块8混凝土结构与砌体结构2.预应力混凝土构件的受力特征

提高了构件的抗裂性；

预应力的大小可根据需要调整。

在使用荷载下，预应力混凝土构件基本处于弹性工作阶段(未开裂)。施加预应力对构件的正截面承载力无明显影响。模块8混凝土结构与砌体结构8.1.3预应力混凝土的优、缺点优点：b.可以节省材料，减少自重。

c.可以减小混凝土受弯构件的剪力和主拉应力。

f.扩大了构件的使用范围：减轻自重，加大跨度，提高适用能力。a.提高了混凝土构件的抗裂性和刚度。

d.预应力混凝土还能提高结构的耐疲劳性能。

模块8混凝土结构与砌体结构缺点：b.需要专门施工设备，如张拉机具、灌浆设备等。

c.预应力引起的反拱不易控制。它将随混凝土徐变增加而加大，可能影响结构使用效果。如桥梁反拱过大，将影响行车舒适性。d.预应力混凝土结构的开工费用较大，对于跨径小、构件数压少的工程，成本较高。a.工艺较复杂，施工质量要求高；

以上缺点正在不断地得以克服。这将使预应力混凝土结构得发展前景更为广阔。模块8混凝土结构与砌体结构8.1.4全预应力和部分预应力混凝土部分截面受压——部分预应力全截面受压——全预应力8.1.5预应力混凝土结构的应用

预应力混凝土由于具有许多优点，所以目前在国内外应用非常广泛，特别是在大跨度或承受动力荷载的结构，以及不允许开裂的结构中得到了广泛的应用。(大跨，超高层结构）模块8混凝土结构与砌体结构1.先张法张拉钢筋

支模、浇混凝土

混凝土达到一定强度

剪钢丝

产生预应力8.2施加预应力的方法和锚具

①张拉钢筋②浇注混凝土③剪断钢筋模块8混凝土结构与砌体结构浇混凝土，预留孔道

达到强度，穿筋

张拉钢筋，锚固

产生预应力

孔道灌浆2.后张法①浇注混凝土②穿钢筋、张拉、锚固③灌浆模块8混凝土结构与砌体结构锚、夹具：用于固定钢筋构件制作完后，能取下重复使用–––夹具用于永久固定钢筋、作为构件的一部分–––锚具不同种类的锚具，有不同的固定原理。同时，固定预应力筋、锚具则不同，则钢筋的回缩量不同，锚具的尺寸外形对构件的影响也不同。预应力混凝土构件的锚、夹具模块8混凝土结构与砌体结构(a)张拉端(b)分散式固定端(c)集中式固定端镦头锚具锥塞式锚具(a)JM12型锚具夹片式锚具(b)XM型与QM型锚具夹片(c)QM型单孔锚具(d)QM型多孔锚具QMXM常见的几种锚具模块8混凝土结构与砌体结构混凝土：一般要求不应低于C30；采用钢丝，钢铰

线，热处理钢筋作预应力钢筋时，混凝土强度等级不宜低于

C40。钢筋：预应力钢筋宜采用钢丝、钢铰线，也可采用热处理钢筋；普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋，也可采用HRB235级钢筋。8.3预应力混凝土材料模块8混凝土结构与砌体结构8.3.1预应力钢筋8.3预应力混凝土材料高强度；较好的塑性；良好的加工性能；应力松弛损失要低；较好的粘结性能；

预应力钢筋宜采用钢丝、钢铰线，也可采用热处理钢筋；普通钢筋宜采用HRB400级和HRB335级钢筋模块8混凝土结构与砌体结构8.3.2混凝土（1）、高强度。采用较高强度等级的混凝土，才能承受较高的预应力，并可有效地减小构件截面尺寸。因此，《规范》规定，预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。（2）收缩、徐变小。

（3）快硬、早强。为了提高台座、模板、夹具等设备的周转率，以便能及早施加预应力，加快施工速度，降低费用，预应力混凝土需要掺加外加剂以使混凝土快硬、早强。

模块8混凝土结构与砌体结构

con：张拉钢筋时，张拉设备上的测力计所指示的总张拉力除以预应力筋面积。

con的确定原则：与预应力的施加方式及钢筋的强度标准值fptk有关。8.4.1张拉控制应力

con§8.4张拉控制应力和预应力损失

模块8混凝土结构与砌体结构

con

过高，可能引起张拉时个别钢丝拉断，所以

，控制应力的大小必须适当。

con

过高，施工阶段可能引起构件某些部分受拉开裂或局部受压破坏。确定

con时考虑的因素

con

增加。产生的预应力大，抗裂性好。

所以

con>0.4fptk模块8混凝土结构与砌体结构《规范》规定：消除应力钢丝、钢绞线：

中强度预应力钢丝：

预应力螺纹钢筋：

当符合下列情况之一时，上述张拉控制应力限值可相应提高或；（1）要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区内设置的预应力筋。（2）要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、预应力筋分批张拉以及预应力筋与台座之间的温差等因素产生的预应力损失。模块8混凝土结构与砌体结构预应力筋张拉后，由于各种原因其张拉应力会下降，这一现象称为预应力损失。引起预应力损失的原因有六大类。先分别找出这些损失出现的原因，再根据先张法和后张法的施工特点，了解不同预应力损失的组合。8.4.2预应力损失

l

pe=

con–

l最终有效预应力：模块8混凝土结构与砌体结构1.张拉端锚具变形和钢筋内缩引起的预应力损失

l1直线：…8－1曲线：…8－2模块8混凝土结构与砌体结构rc

–––曲线的曲率半径；,k

–––预应力筋与孔道壁之间的摩擦系数及局部

偏差的摩擦系数；x

–––张拉端至计算截面的距离x

lf；l–––张拉端至锚固端距离。lf

–––反向摩擦影响长度，m；…8－3a–––张拉端锚具变形和钢筋回缩量；式中：模块8混凝土结构与砌体结构2.预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦引起的损失

l2x

–––从张拉端至计算截面的孔道长度，m，可用投影长度；

–––从张拉端至计算截面曲线孔道长度的夹角，rad。当（

+kx）0.2时，

l2=

con(kx+

)…8－4模块8混凝土结构与砌体结构3.受张拉的钢筋与承受拉力的设备之间的温差引起的预应力损失

l3加热养护：此时混凝土未硬结，钢筋自由伸长，而台座不动。钢筋松了–––产生温差损失。小钢模生产的构件无此项损失。…8－5模块8混凝土结构与砌体结构4.预应力钢筋的应力松弛引起的损失

l4应力松弛现象：指钢筋在高应力状态下，由于钢筋的塑性变形而使应力随时间的增长而降低的现象。钢筋长度不变，应力随时间增长而降低。应力松弛损失的特点：与张拉时间有关，先快后慢。第1小时为50%，24小时完成80%。与预应力钢筋种类有关。预应力钢筋种类不同，则损失大小不同；模块8混凝土结构与砌体结构利用超张拉工序可以减少

l4超张拉工序：第一种：

从01.03

con第二种：

从01.05

con(持荷2min)

con原理：超张拉的持荷2min，已将部分松

弛在钢筋锚固前完成，所以可达到减少

l4的目的。模块8混凝土结构与砌体结构①、预应力钢丝、钢绞线：普通松驰：②、对中强度预应力钢丝：低松驰：③、对预应力螺纹钢筋：

当时，预应力筋的应力松弛损失可取为零。模块8混凝土结构与砌体结构5.由于混凝土收缩、徐变引起的预应力损失

l5收缩、徐变将引起构件缩短，所以钢筋回缩，引起

l5。此时预应力损失值的大小，与纵筋含钢率ρ、混凝土预压应力的大小

pc及混凝土抗压强度f'cu有关。先张法：…8－6…8－7模块8混凝土结构与砌体结构

、

'

–––受拉区、受压区预应力筋和非预应力筋的含钢率；

pc、

'

pc–––产生第一批预应力损失后，受拉区、受压区预应力钢筋在各自合力点处混凝土的法向压应力。后张法：…8－9…8－8模块8混凝土结构与砌体结构6.混凝土的局部挤压引起的预应力损失

l6后张法中，用螺旋式预应力钢筋作配筋的环形构件：电杆、水池、压力管道等，直接在混凝土上进行预应力钢筋的张拉。这时钢筋对构件产生外壁的径向压力，使混凝土局部挤压，构件的直径局部减小，带来一圈内钢筋周长的减小，因而钢筋松驰，引起

l6。d>3m，

l6=0d

3m，取

l6=30N/mm2

模块8混凝土结构与砌体结构总损失：

l

=

lI+

lII先张法：

ls

100N/mm2后张法：

ls

80N/mm28.4.3预应力损失值组合混凝土预压前

lI=

l1+

l3+

l2+

l4混凝土预压后

lII=

l5先张法构件：混凝土预压前

lI=

l1+

l2混凝土预压后

lII=

l4+

l5+

l6后张法构件：模块8混凝土结构与砌体结构针对引起不同预应力损失的原因，寻找措施:

l1：小变形夹具，减少垫板，增加台座长度。

l2：减少摩擦，两端张拉。

l3：采用二次升温养护：

t020C使混凝土达到一定强度，再升温。

l4：超张拉，减少

l4，让

l4先部分完成。

l5：控制

pc(完成第一批损失后的混凝土预应力)，'pc

0.5f'

cu，f'

cu不太小。减小收缩徐变的一些措施。减少预应力损失的措施模块8混凝土结构与砌体结构§8.5预应力混凝土轴心受拉构件

9.3.1先张法轴心构件(a)放张前(b)放张后(c)完成第二批损失1.施工阶段模块8混凝土结构与砌体结构放松预应力筋之前：

pe=

con–

lI

pc=0

s=0放松预应力筋之后：

pe=

con–

lI–

E

pcI

pc=

pcI(压)

模块8混凝土结构与砌体结构由截面平衡条件：

pI

Ap=

pcI

Ac+

sI

As(

con–

lI–

E

pcI

)Ap=

pcI

Ac+

sI

As式中：A0－换算截面面积，A0

=Ac+

E·As+

E·Ap。扣除孔道、钢筋等截面面积后截面上的混凝土截面面积。完成第一批损失之后：…9－10模块8混凝土结构与砌体结构完成第二批损失之后：预应力筋：

pII=

con–

l

–

E

pcII非预应力筋：混凝土：

pc=

pcII同理，由截面平衡条件得：…8－11模块8混凝土结构与砌体结构2.使用阶段受力过程的三个特征点：N

Np0(

c=0)

Np,cr(

c=ftk)

Nu(

s=fpy)(a)施加轴力前(b)消压状态(c)开裂轴力(d)极限轴力NuN0N0Ncr

NcrNu（+）（－）模块8混凝土结构与砌体结构加载至混凝土应力为零：式中Np0–––消压轴力，抵消截面上混凝土有效预

压应力所需的轴向力。Np0=

p0Ap–

sAs=(

con–

l)Ap–

l5As=

pcII·A0

…9－12模块8混凝土结构与砌体结构加载至构件截面即将开裂：式中Np,cr–––开裂轴力，

预应力轴拉构件即

将开裂时所能承受的轴向力。(预应力的存在可以提高抗裂度)截面平衡：…8－13模块8混凝土结构与砌体结构加载至构件破坏：式中，Nu–––极限承载力。(预应力的存在不能提高正截面承载力)由截面平衡条件：…8－14模块8混凝土结构与砌体结构预应力钢筋锚固后：(完成

lI)2后张法构件式中:

An–––构件的净截面面积，An=A0–

EAp=Ac+

Es·As

截面平衡：…9－15模块8混凝土结构与砌体结构完成第二批损失后：截面平衡：…8－16模块8混凝土结构与砌体结构消压(加载到混凝土应力为零)截面平衡：…8－17

pc=0(压)模块8混凝土结构与砌体结构构件即将开裂截面平衡：…8－18(拉)模块8混凝土结构与砌体结构构件加载达到极限承载力：

pc=0

s=fy

pe=fpy先张法、后张法轴心受力构件各阶段的应力状态及公式的表达有什么异同点。Nu=fpy·Ap+fy·As…8－19想一想：模块8混凝土结构与砌体结构N

–––荷载作用产生的轴向力设计值值。上式主要用来求Ap和As，一般按构造先设As，再求Ap。§8.5.2预应力轴心受拉构件的计算1.使用阶段计算1）.正截面承载力计算…8－20模块8混凝土结构与砌体结构2）.裂缝控制验算即：在荷载效应标准组合下，不出现拉应力。

pc–––扣除全部预应力损失后的混凝土预压应力。…8－21

严格要求不出现裂缝的构件(一级)

ck–

pc0

ck–––按荷载效应标准组合求得的混凝土的法向应力。…8－20模块8混凝土结构与砌体结构

一般要求不出现裂缝的构件(裂缝控制等级二级)上两式表明：在荷载效应标准组合下，允许出现拉应力，但一定有限值；在荷载效应准永久组合下，不允许出现拉应力。

cq–––在荷载效应准永久组合下的混凝土法向应力。荷载效应准永久组合下：

cq–

pc0…9－23荷载效应标准组合下：

ck–

pc

ftk…9－22模块8混凝土结构与砌体结构

允许开裂，但要限制裂缝宽度(裂缝控制等级三级)

cr—构件受力特征系数，对轴拉构件取2.2；式中:

sk—纵向受拉钢筋的等效应力，即wmax

wlim…8－24…8－25…